4. Криогенные стали и сплавы

Под криогенными сталями и сплавами подразумевают металлические материалы для машин и оборудования, предназначенные для получения, перевозки и хранения сжиженных газов и, следовательно, эксплуатируемых до температур кипения: кислорода азота неона водорода и гелия а также сжиженных углеводородов (метила, бутана и др.), температуры кипения которых лежат в интервале

Стали и сплавы, предназначаемые для работы при низких температурах, делят на металлические материалы для работы при низких климатических температурах (до так называемые стали северного исполнения, и эксплуатируемые при температурах от комнатной до температуры ниже почти вплоть до абсолютного нуля (4,2 К — температура кипения жидкого гелия) — так называемые криогенные стали и сплавы, которые чаще всего являются одновременно и нержавеющими (аустенитными).

Как и для других конструкционных материалов, основное требование к криогенным материалам — механическая прочность. Однако специфичностью условий работы является широкий интервал температур от комнатной до жидкого гелия, в котором существенно меняются свойства.

В общем можно отметить, что при понижении температуры прочность повышается, а пластичность и вязкость снижаются. Отсюда прочность должна гарантироваться при комнатной температуре (поскольку при низкой температуре она будет заведомо выше), а стичность и вязкость при низшей температуре эксплуатации.

Понижение температуры само по себе приводит к повышению прочности однако на изменение прочности при понижении температуры немаловажное влияние оказывают и дополнительные моменты, связанные с фазовыми превращениями или изменением характера разрушения.

Рис. 354. Пределы прочности и текучести аустенитных сталей (образцы с надрезом) при различных температурах испытаний:

На рис. 354 показано влияние температуры на прочностные свойства аустенитных сталей. Сталь (рис. 354, а) со стабильным аустенитом, который не претерпевает превращений при низких температурах в процессе деформации и разрушается вязко. В этом случае кривые, показывающие значения а” и эквидистантно, при всех температурах отношение

В стали как было сказано выше (см. с. 415), деформация вызывает мартенситное превращение, которое наступает в результате пластической деформации, т. е. в области напряжений, превосходящих Поэтому в этой стали изменяется, как и в стали со стабильным аустенитом, а разрушение

происходит не в аустенитном, а аустенито-мартенситном состоянии. Кривые» характеризующие расходятся (рис. 354, а).

Сталь не содержит никеля и несмотря на аустенитную структуру в ней при температурах ниже появляется в изломе хрупкая составляющая. В этом случае пластичность снижается, предел текучести при снижении температуры быстро повышается, кривые ооуов сближаются (рис. 354, в).

В табл. 80 приведены свойства трех марок аустенитных сталей, из которой видно, что свойства прочности при сильно различаются и расчет криогенных конструкций на прочность надо вести на свойства при комнатной температуре, когда они минимальны.

Хромоникелевые аустенитные стали имеют высокую ударную вязкость при комнатной температуре и, так как при всех температурах вплоть до температуры кипения жидкого водорода них сохраняется вязкий излом, ударная вязкость монотонно снижается, очевидно, за счет монотонного повышения прочности, но сохраняет при высокие значения, выше Вот почему для работы при таких низких температурах (ниже применяют преимущественно аустенитные стали, тогда как для температур выше [т. е. для интервала температур возможно применение и менее дорогих сталей.

Как было показано, никель эффективно понижает порог хладноломкости железа и, следовательно, используя это влияние, можно получать железоникелевые стали (низкоуглеродистые) с разным значением порога хладноломкости (табл, 81).

Таблица 80. (см. скан) Механические свойства аустенитных криогенных сталей

Таблица 81. (см. скан) Влияние никеля на механические свойства и порог хладноломкости железа

В табл. 81 порог хладноломкости указан по появлению хрупких участков в изломе и по обычной характеристике для стали в нормализованном состоянии.

Следует иметь в виду, что при этой температуре ударная вязкость всех сталей примерно одинаковая

Из таблицы видно, что с увеличением содержания никеля повышаются прочностные свойства понижается порог хладноломкости и поэтому увеличивается ударная вязкость при

Для сталей с 6 и 9 % Ni, имеющих практическое применение (промышленное обозначение нижняя строка показывает более высокие свойства, которые относятся к особому режиму термической обработки — двойной нормализации (первая от вторая от и отпуску при

В связи с дефицитностью никеля необходимо бережно выбирать стали, легированные этим элементом. Критерием является порог хладноломкости, который для деталей, не испытывающих ударных нагрузок, устанавливается по (допустимо в изломе хрупкой составляющей) и для динамически нагруженных сталей (практически содержание хрупкой составляющей в изломе недопустимо).

Отсюда сталь можно применять до при динамических условиях нагружения и до (практически до т. е. до «кислородных» температур) при отсутствии динамических нагрузок, а сталь соответственно до —130 и -196 °С. «Водородная» и «гелиевая» температуры, по-видимому, для стали с (и безусловно для стали с ) слишком низкие.

Надо иметь в виду, что эти стали не являются коррозионностойкими.

В случае требований высокой коррозионной стойкости следует применять хромоникелевые аустенитные стали, описанные в этой главы, обладающие к тому же более высокой хладостойкостью, чем стали с ферритной структурой (в том числе и

Относительно невысокая прочность аустенитных нержавеющих сталей привела к разработке высокопрочных криогенных сталей (например,

Таблица 82. (см. скан) Состав и свойства некоторых криогенных сталей

сталь или Однако высокое содержание в них никеля (около 10 %) привело к разработке малоникелевых сталей, которые оказались пригодными до относительно не очень низких тем ператур. Свойства некоторых из наиболее распространенных криогенных сталей приведены в табл. 82.

Порог хладноломкости — характеристика чрезвычайно чувствительна к чистоте стали. Данные о пороге хладноломкости, приведенные в табл. 81 и 82, относятся к достаточно чистым по примесям внедрения сталям.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

(см. скан)