|
| |
|
Главная Промышленность Хладостойкие стали. Применение находят стали с ОЦК и ГЦК решетками. Стали с ОЦК решеткой используют главным образом для работы при температурах климатического холода. Температурная граница их применения ограничивается порогом хладноломкости, который в зависимости от металлургического качества стали и ее структуры составляет от О до - 60 "С. Эффективными мерами снижения порога хладноломкости и повышения надежности работы являются уменьшение содержания углерода, создание мелкозернистой структуры (размер зерен 10-20 мкм), понижение содержания вредных примесей и их нейтрализация добавками редкоземельных металлов, а также ванадия, ниобия, титана, легирование никелем и применение термического улучшения (рис. 14.17). Основное применение получили низкоуглеродистые стали, так как с увеличением содержания углерода повышается порог хладноломкости и ухудшается свариваемость стали. Стали обыкновенного качества (табл. 14.11) - спокойные, полуспо1{ой-ные и кипящие - применяют для разнообразных изделий, включая сосуды, работающие под давлением. Минимальная рабочая температура этих сталей без специальной обработки для низкотемпературной службы ограничивается ТАБЛИЦА 14.11. Температурные интервалы прнмевення конструкционных материалов /SO- 
Рнс. 14.17. Зависимость порога хладноломкости (tso) никелевых сталей с 0,05% С от содержания никеля -20 °С (см. табл. 14.11), а у кипящих сталей находится в пределах от О до -10 °С, так как у них порог хладноломкости на 10-20 °С выше, чем у таких же спокойных сталей. Комплексом мер, включающих улучшение металлургического качества, измельчение зерна и микролегирование, удается снизить допустимую температуру эксплуатации этих дешевых сталей ДО -50 °С (см. табл. 14.11). Хотя стоимость стали при этом увеличивается, но она все же ниже стоимости легиро-ванньк сталей. При использовании сталей при температурах ниже 0°С необходима отработка конструкции деталей- устранение опасных концентраторов, использование тонкостенных элементов, в которых облегчены температурные деформации. Для крупных конструкций используют свариваемые низколегированные стали повышенной прочности 09Г2С, 14Г2АФ и др. Кроме низкоугле-родистьк сталей используют среднеуглеродистые улучшаемые и пружинные стали (45, 40Х, 65Г, 60С2А). Минимальная рабочая температура для них установлена -50 °С. Стали с никелем имеют лучшую хладостойкость; стали 12ХНЗА и 18Х2Н4МА после термического улучшения применяют до температуры -196 °С. Никелевые стали 0Н6 и 0Н9 содержат не более 0,05% С, их применяют в улучшенном состоянии (закалка или нормализация от 830-900 °С и отпуск при 600 °С). Стали имеют мелкозернистую структуру, вязки, пластичны, хорошо свариваются. По сравнению с аустенитными сталями они прочнее, лучше проводят теплоту и почти вдвое дешевле. Тепловое расширение никелевьк сталей также меньше. Эти стали используют для крупных конструкций, включая танкеры для перевозки сжиженных газов. Посредственная стойкость против атмосферной коррозии-недостаток никелевых сталей. Аустенитные стали с ГЦК решеткой сохраняют высокую пластичность и вязкость ниже -196 °С. Переход аустенита в мартенсит при низких температурах нежелателен: увеличиваются размеры деталей, появляется склонность к хрупкому разрушению. Стабильность аустенита обеспечивают повышением содержания аустенитообразующих элементов (Ni, N, Мп) свыше 15%. Недостаток аустенитных сталей-низ- кий предел текучести. Наряду со сталями 12Х18Н10Т применяют более прочные хромомарганцевые стали (03Х13АГ19) и специальные дисперсион-но-твердеющие стали (10Х11Н23ТЗМР, 10Х11Н20ТЗР). Инвар 36Н (36 % Ni, остальное Fe) отличается малым тепловым расширением и стабильной ГЦК структурой. В изделиях из инвара при изменении температуры возникают малые термические напряжения, в конструкциях не требуются компенсаторы деформации Применение инвара ограничивается недостаточной коррозионной стойкостью и высокой стоимостью. Мартенситно-стареющие стали (см. табл. 14.11) используются для деталей холодильных машин (подпятники, валики, клапаны и др.), когда необходимы повышенная прочность и высокая твердость. Хладостойкие сплавы. Алюминий и его сплавы, не имея порога хладноломкости, остаются вязкими при температурах -253 -=- -269 °С. При охлаждении ств у них повышается на 35-60%, на 15-25%, а ударная вязкость монотонно уменьшается до 0,5 - 0,2 МДж/м2 (см. рис. 14.16). Вязкость разрушения практически не уменьшается, а это значит, что алюминиевые сплавы при охлаждении менее чувствительны к надрезам, чем при 25 °С. Из-за большого теплового расширения (значительной теплопроводности) алюминия при жестком закреплении элементов конструкций в них неизбежны значительные термические напряжения. Для их уменьшения применяют компенсаторы деформации или отдельные части конструкции (например, горловины криостатов) изготовляют из материалов с меньшей теплопроводностью, например из аустенитных сталей или пластмасс. При низких температурах (от -253 до -269 °С) чаще всего используют алюминий и термически неупрочняемые свариваемые сплавы АМц, АМг2, АМг5. Для несвариваемых изделий, работающих до температуры -253 °С, используют деформируемые термически упрочняемые сплавы Д16, АК6, АК8, а также литейные сплавы АЛ2, АЛ9. Титан и его сплавы не охрупчиваются при температурах от -196 до -269 °С (см. табл. 14.11) и из-за большой удельной прочности используются в космической технике. Широко применяют технически чистый титан и его однофазные сплавы ВТ5-1, ОТ4. Они пластичны, легко свариваются, и после сварки не требуется термическая обработка соединений. Более прочные, но менее пластичные сплавы ВТЗ-1 и ВТ6 с двухфазной (а -I- Р)-структурой применяют при температурах до -196 °С. Эти сплавы свариваются хуже однофазных сплавов, и для сварных соединений необходим отжиг. Медь и ее сплавы (латуни, бронзы) пластичны, не имеют порога хладноломкости. Кроме того, вязкость разрушения у них повышается при охлаждении. Их применяют для трубных кон-струкщ1Й, крепежных деталей, сварных корпусов, работающих при температурах до -269 °С. Из-за более высокой стоимости по сравнению с алюминием медь и ее сплавы все больше заменяются сплавами алюминия. Неметаллические хладостойкие материалы. Они имеют более низкую прочность и ударную вязкость по сравнению с металлами. Неметаллические материалы используют для изготовления тепловой изоляции, а также отдельных деталей и элементов конструкций. Для тепловой изоляции используют вспененные полистирол или полиуретан, отличающиеся особенно низкой теплопроводностью = 0,30,05 Вт/(м°С)]. Для деталей и элементов конструкций используют пластмассы, наполненные стеклянным волокном (полиамиды, поликарбонаты). Для подвижных уплотнений применяют фторопласт-4 (до - 269°С), резины (до -70°С). 14.5. Радиационно-стойкие материалы Материалы под действием облучения испытывают структурные превращения, которые приводят к нежелаемым изменениям свойств в эксплуатации. Наиболее сильное влияние оказывает нейтронное облучение. Влияние облучения «-частицами, протонами, тем более легкими Р-частицами и у-излучения менее сильно. В связи с этим материалы, эксплуатирующиеся в условиях облучения, должны быть радиационно стойкими. Радиационная стойкость - стабильность структуры и свойств в условиях облучения. Наибольшее влияние структурные изменения от облучения оказывают на механические свойства и коррозионную стойкость. Влияние облучения на структуру и механические свойства. Облучение приводит к образованию точечных и линейных дефектов, микропор и других структурных повреждений материала. При облучении происходит смещение атомов облучаемого материала в меж-узлия и образование вакансий. Плотность точечных дефектов увеличивается. Число вакансий, создаваемых одной частицей, зависит от ее вида и энергии, а также от свойств облучаемого вещества (табл. 14.12). Одна частица нейтрона, обладающая меньшей энергией, чем а-частица и протон, создает несравнимо больше структурных повреждений. Число вакансий, образовавшихся в алюминии, больше, чем в бериллии, что определяется большей энергией межатомной связи в последнем. Степень изменения свойств при облучении зависит от суммарного потока ТАБЛИЦА 14.12. Число ваканский в металле, созданных одной частицей
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 [ 32 ] 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
