4.3.2 Холодостійкі сталі

Сталі є основним конструкційним матеріалом для виготовлення механізмів, машин та конструкцій, що працюють при низьких температурах. За таких умов експлуатації сталі повинні мати необхідну міцність в поєднанні з високою в’язкістю та пластичністю, малу чутливість до концентраторів напружень та низьку схильність до крихкого руйнування.

Як вказувалося раніше, зі зниженням температури характеристики міцності металевого матеріалу зростають, а в’язкість та пластичність зменшуються. Тому при виборі сталі для роботи в цих умовах визначальними показниками є міцність при максимальній температурі експлуатації – зазвичай кімнатній; в’язкість та пластичність – при мінімальній температурі. Механічні властивості та працездатність сталей, що використовують для холодостійких конструкцій, а також в холодильному та кріогенному машинобудуванні, залежать від багатьох факторів. До них перш за все відносяться тип кристалічної ґратки, розмір зерен та стан їх меж, вміст легувальних елементів та домішок, форма та розміри неметалевих включень. Підвищений вміст водню збільшує крихкість сталі. Зварювання сприяє зростанню зерна та додатковому наводненню, що підвищує холодноламкість зварних з’єднань. Крім того, нагрівання при зварюванні може призводити до фазових перетворень та виділення домішок по межах зерен, що також підвищує крихкість сталі.

Неметалеві включення мають важливий вплив на формування структури та властивостей сплавів. Для покращення якості сталі знижують загальну кількість включень та проводять їх глобуляризацію модифікуванням.

Згідно класифікації Симса-Даля, розрізняють три типи включень: І тип – дрібні глобулярні включення; ІІ тип (найбільш небезпечний) – міжкристалітні плівкові включення; ІІІ тип – гострокутові порівняно крупні включення неправильної форми.

Вміст неметалевих включень в ливарних конструкційних сталях складає за об’ємом лише 0,1…0,3 %, а по масі – в 1,5…2,0 рази менше. Незважаючи на це неметалеві включення мають дуже суттєвий вплив на комплекс фізико-механічних властивостей сталі, особливо на ударну в’язкість та схильність до крихкого руйнування. Це пояснюється тим, що поблизу включень відбувається концентрація напружень, внаслідок чого навколо цих частинок утворюються області зосередженої пластичної деформації.

Забрудненість неметалевими включеннями є одним з важливих факторів, що визначають опір сталі крихкому руйнуванню. Холодостійкість сталей забезпечується, якщо при температурах експлуатації руйнування відбувається за в’язким механізмом, який на мікроскопічному рівні здійснюється завдяки росту та коалесценції мікропорожнин, що зароджуються на неметалевих включеннях. В першому наближенні енергоємність руйнування тим вища, чим більша відстань між неметалевими включеннями, які здатні (за своїми розмірами) слугувати центрами зародження пор. Неглобулярні включення звичайно різко знижують енергетичні витрати на зародження та ріст мікропустот й сприяють їх ранній коалесценції. Тому важливою задачею сучасного матеріалознавства є управління природою включень з метою отримання заданих механічних характеристик сталі. В значному ступені це досягається використанням модифікаторів-глобуляризаторів[6].

Використання знаходять сталі з ОЦК та ГЦК ґратками, середньовуглецеві поліпшувальні сталі; мартенсито-старіючі сталі використовують обмежено: у випадках, якщо до окремих деталей холодильного обладнання висуваються вимоги підвищеної міцності та твердості [5].