Конструкционные стали и сплавы для низких температур
Солнцев Ю.П., Степанов Г.А.
Металлургия, 1985 г.
4. СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ
Наряду с низколегированными сталями при низких температурах для несварных деталей широко используют среднелегированные хромоникелевые конструкционные стали с добавками вольфрама, молибдена, ванадия. К ним относятся стали типа 30ХН2МФА, 38ХНЗМА, 38ХНЗМФА, 18Х2Н4МА (18Х2Н4ВА), 12ХНЗМА, содержащие 0,1— 0,4 % С и от 1,5 до 4 % №. Для повышения вязкости при низких температурах стали подвергают термообработке, состоящей из закалки и высокого отпуска. Структура сталей после операции улучшения представляет собой дисперсный сорбит. Сталь 12ХНЗА применяют для цементуемых и цианируемых деталей, где требуется повышенная прочность, поверхностная твердость в сочетании с вязкой сердцевиной. Из нее изготовляют также корпуса клапанов, цилиндры поршневых детандеров, детали арматуры и насосов. Сталь 18Х2Н4МА применяют для изготовления ответственных высоконагруженных деталей, работающих при статических, циклических и динамических нагрузках с температурой эксплуатации 200—670 К (шпилек, подвесок, осей, валов турбодетандеров и др.). В табл. 13 приведены механические свойства сталей этого класса Оценка статической прочности стали 30ХН2МФА, проведенная на прутковом металле диаметром 20—60 мм, показывает (табл. 13), что после закалки с 860 °С в масло и отпуска при 680 °С в течение 1,5 ч с охлаждением на воздухе сталь сохраняет высокую пластичность до 77 К.
В стали 38ХНЗМА по сравнению со сталью 30ХН2МФА при большем содержании никеля заметно выше содержание углерода, что и приводит к менее благоприятному влиянию надреза на пластичность. При прочих равных условиях температурный уровень применения стали 38ХНЗМА должен быть выше, чем для сталей 30ХН2МФА и 18Х2Н4ВА. Наибольшую пластичность при низких температурах имеет сталь 18Х2Н4ВА. Следует отметить, что низкотемпературный отпуск, обеспечивая высокий уровень твердости (НКС>40), вызывает необходимость применения инструмента с повышенными режущими свойствами, поэтому на практике такой режим применяется относительно редко. Отпуск при 560 °С, обеспечивая высокие значения ударной вязкости при температурах 293 К, дает часто большой разброс по ударной вязкости при 77 К. В связи с этим предпочтителен отпуск при 620—650 °С в случае эксплуатации детали при температурах до 77 К.
Данные по гладким образцам, с одним кольцевым надрезом, с нарезанной резьбой по всей длине, а также по имитаторам шпилек (рис. 54) приведены в табл. 15 (в знаменателе приведены результаты испытаний образцов с перекосом 5°).
Для сравнения удлинения резьбовых образцов и шпилек при разрушении определяли по диаграмме испытательной машины их полное удлинение Д, имея в виду, что общая рабочая длина образцов, включая высоту ввинчивания, во всех случаях была равна 50 мм. Профиль надреза и резьбы проверяли до и после испытаний.
Анализ данных, приведенных в табл. 15, показывает, что сталь 38ХНЗМА имеет малую пластичность при деформации в жидком азоте в случае наличия резьбы (резьбовой образец и шпилька). При этом четко просматривается отрицательное влияние перекоса. В случае перехода к изготовлению образца шпильки с центральной проточкой, когда действие концентраторов сведено к минимуму, металл имеет удовлетворительную пластичность. При наличии такой проточки разрушающая нагрузка снизилась на 20 % при росте относительного сужения вдвое при 293 К и в шесть раз при 77 К.
Сталь 38ХНЗМА в термически обработанном состоянии может быть рекомендована к применению при температурах до 170 К. Сталь 18Х2Н4ВА даже при неблагоприятной форме крепежа обладает при 77 К удовлетворительной пластичностью и мало чувствительна к перекосу. Однако для ответственных шпилек целесообразно применять проточку центральной зоны до диаметра, меньшего на 0,3— 0,5 мм внутреннего диаметра резьбы. В случае применения прутка для деталей диаметром более 60 мм минимальная температура применения стали должна быть повышена. Анализ поведения стали 18Х2Н4ВА в случае ее эксплуатации в жидком азоте не выявил отрицательного влияния длительного нагружения (в опытах от 250 до 1500 ч) на механические свойства; остаточная деформация не превышала 0,02 %. Оценка релаксационной стойкости стали 18Х2Н4ВА при выдержке в жидком азоте под напряжением 450 и 320 МПа продолжительностью до 450 ч показала, что в первые часы напряжение падает до 420 и 300 МПа соответственно, оставаясь далее неизменными в течение эксперимента.
5. МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИЕ СТАЛИ
Отличительной особенностью мартенситно-стареющих сталей является получение при закалке практически безуглеродистого мартенсита и его последующее старение при температуре около 500 °С, сопровождающееся выделением интерметаллидных фаз, что обеспечивает сочетание высоких прочностных свойств с достаточной пластичностью и вязкостью. После термообработки их временное сопротивление при комнатной температуре составляет не более 1800 МПа, предел текучести 1500 МПа при относительном сужении 40 % и ударной вязкости на образцах первого типа 0,6 МДж/м2. Опасность хрупких разрушений мартенситно-стареющих сталей в отличие от других высокопрочных конструкционных сталей уменьшается благодаря высокому содержанию никеля и низкому углерода (не более 0,03%). Высокое содержание легирующих элементов и низкая концентрация углерода предотвращают образование немартенситных продуктов превращения аустенита независимо от скорости охлаждения при закалке. В стали
03Н18К9М5Т мартенситное превращение начинается при комнатной температуре. Безуглеродистый мартенсит закалки имеет невысокую прочность, но обладает очень высокой пластичностью. В закаленном состоянии сталь хорошо обрабатывается давлением и резанием.
Снижение температуры испытания от комнатной до 77 К приводит к увеличению предела текучести стали 03Н18К9М5Т от 1750 до 2250 МПа при удлинении 6 %; вязкость разрушения при этом уменьшается более чем в 2 раза [98]. Сохранение высокой вязкости стали при низких температурах достигается благодаря наличию в структуре после закалки достаточных количеств остаточного стабильного аустенита. Введение хрома в мартенситно-стареющую сталь снижает склонность к общей коррозии и коррозии под напряжением.
Одной из первых отечественных мартенситно-стареющих нержавеющих сталей на Fe—Сr—Ni основе является сталь 08Х15Н5Д2Т (табл. 16), разработанная Я. М. По-таком и Ю. Ф. Оржеховским [99]. После закалки сталь имеет структуру мартенсита и около 10 % остаточного аустенита. Ее временное сопротивление после закалки 870 °С, обработки холодом и старения при 450 °С составляет более 1300 МПа. Старение стали в нагартованном состоянии повышает временное сопротивление до 1400 МПа. При повышении температуры старения до 600—640 °С, соответствующей обратному а-у-превращению, происходит образование стабильного аустенита. Его стабилизация связана с обогащением аустенита никелем и понижением в результате этого температуры мартенситного превращения. Однако старение при 600—640 °С существенно снижает прочность стали.
Сталь 03Х11Н10М2Т после упрочнения имеет высокие значения прочности (0В более 1500 МПа) в сочетании с достаточной пластичностью. Однако при такой прочности она не пригодна для использования при криогенных температурах. В закаленном состоянии временное сопротивление стали составляет около 1000 МПа, но сталь сохраняет высокие значения пластичности и вязкости, малую чувствительность к трещине при температурах до 20 К. Сталь 03Х11Н8М2Ф рекомендуется для сварных и паяных конструкций без термической обработки после сварки, работающих в диапазоне температур 673—77 К. После закалки сталь имеет мартенситную структуру и остаточный аустенит в количестве 15—17
Сварные соединения обладают повышенными вязкими свойствами при температурах 293 и 77 К: величина КСУ составляет соответственно 1,0 и 0,64 МДж/м2. Применение аустенитной проволоки Св-03Х20Н18Г10АМ4 повышает вязкие свойства металла шва, особенно при 20 К. После термической обработки, имитирующей режим пайки: 1020 °С в течение 20 мин, величина КСУ сварного шва при 20 К составляет 0,44 МДж/м2. Сталь обеспечивает высокую герметичность узлов, стабильность их линейных размеров, удовлетворительную технологичность при сварке плавлением, обладает высоким сопротивлением хрупкому разрушению при криогенных температурах.
Высокопрочные нержавеющие мартенситно-стареющие хромоникелевые стали, дополнительно легированные кобальтом, обладают особым сочетанием свойств, которое не достигается на сталях других классов. Влияние кобальта на механические свойства мартенситно-стареющих сталей обусловлено его участием в процессе старения за счет образования сложных многокомпонентных соединений Со— Ni—Мо , частицы которых когерентно связаны с кристаллической решеткой матрицы [102]. Кобальт, как и никель, уменьшает растворимость молибдена и вольфрама в а-железе и поэтому способствует упрочнению при старении. Он задерживает процесс разупрочнения, уменьшая скорость коагуляции высокодисперсных фаз, и повышает устойчивость структуры сталей к перестариванию [103]. Содержание кобальта в высокопрочных сталях колеблется в довольно широких пределах. Для каждой конкретной системы легирования целесообразно определение рационального содержания кобальта.