А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Легирующие элементы оказывают влияние на свойства феррита, положение критических точек в стали, кинетику (γ→α)-пре- вращения. При содержании > 1 % Мn вязкость феррита начинает снижаться, но до 1,5 % Мn она не уменьшается ниже значений, наблюдаемых при его полном отсутствии. Влияние марганца на хладостойкость в значительной степени зависит от содержания в стали углерода. Это связано с тем, что марганец в стали может находиться как в твердом растворе в феррите, так и в виде карбида марганца Мn3С или двойного карбида Мn3С Fe3C. В сталях с 1–2 % Мn распределение его между карбидами и твердым раствором находится примерно в соотношении 1 : 4. В малоперлитных сталях (0,05–0,10 % С) рекомендуется содержание марганца < 1,8 %. Влияние марганца связано с воздействием на обе структурные составляющие – феррит и перлит. В первом случае это вызывается искажением кристаллической решетки, во втором – способностью марганца повышать устойчивость переохлажденного аустенита, что увеличивает дисперсность карбидов и приводит к измельчению зерна.

Легирование некарбидообразующими элементами (никелем, кремнием) ведет к упрочнению феррита. Влияние их на склонность к хрупкому разрушению заключается в изменении свойств свободных дислокаций. Так, никель ослабляет взаимодействие дислокаций с атомами внедрения и снижает сопротивление кристаллической решетки движению свободных дислокаций, приводя к повышению пластичности и трещиностойкости стали. Введение 1 % Ni снижает порог хладноломкости примерно на 20 К. Действие кремния противоположно влиянию никеля. Кремний вызывает значительное искажение кристаллической решетки α–Fe, что, с одной стороны, сильно повышает твердость и, следовательно, прочность феррита, а с другой – увеличивает ее сопротивление движению дислокаций, препятствует релаксации высоких упругих микронапряжений, повышая тем самым склонность к хрупкому разрушению. Поэтому увеличение содержания кремния более 0,6 % приводит к снижению ударной вязкости ферритно-перлитных сталей. Кремний упрочняет феррит в большей степени, чем марганец. Марганец и кремний сравнительно слабо влияют на пластичность нормализованного феррита.

Хром по сравнению с кремнием и марганцем является слабым упрочнителем феррита. При небольшом содержании хрома (~ 1 %) несколько повышается ударная вязкость нормализованного феррита.

121

Дальнейшее увеличение его количества в стали сопровождается снижением вязкости.

Легирование такими карбидообразующими элементами, как Ti, V, Nb, Mo, Cr, в сравнительно небольших количествах, необходимых только для связывания углерода в карбиды, уменьшает блокировку дислокаций в стали и ее склонность к хрупкому разрушению. Введение молибдена до 0,5 % существенно снижает порог хладноломкости. Молибден оказывает сдерживающее влияние на диффузионную подвижность фосфора и уменьшает отпускную хрупкость. Действие никеля на хладноломкость особенно эффективно в сочетании с молибденом. Дальнейшее увеличение концентрации указанных элементов в феррите усиливает взаимодействие атомов внедрения с дислокациями, повышая степень их блокировки, что приводит к повышению прочности, но одновременно тормозит релаксацию напряжений и снижает сопротивляемость стали хрупкому разрушению.

Другим механизмом релаксации локальных напряжений является перераспределение свободных дислокаций путем поперечного скольжения, возможность которого зависит от характера легирования. Например, легирование никелем и марганцем способствует развитию поперечного скольжения при низких температурах, а кремний затрудняет этот процесс. Следует отметить, что никель и молибден, как и марганец, повышают устойчивость переохлажденного аустенита, что, в свою очередь, повышает дисперсность продуктов его распада и увеличивает хладостойкость стали.

В целях выявления влияния легирующих элементов на механические свойства и Т50 в лабораторных условиях с помощью фракционной разливки было осуществлено легирование стали 30Л марганцем, никелем, кремнием, хромом, молибденом и ванадием. Раскисляли сталь алюминием из расчета его содержания 0,06 %, а модифицировали комплексным кальций-барийсодержащим сплавом (ЩЗМ в сумме 16–18 %) в количестве 3 кг/т. Стали всех составов подвергали одинаковой термической обработке – нормализации при 930–950 °С (2 ч). Все стали имели ферритно-перлитную структуру. Анализ результатов показал, что присадки в низкоуглеродистую сталь указанных легирующих элементов повышают ее прочностные свойства и несколько снижают показатели пластичности металла. Монолегирование стали 1 % никеля, хрома, кремния, 0,3 %

122

молибдена и 0,1 % ванадия увеличило предел текучести стали 20Л в среднем на 20 %, а 1,3 и 1,8 % марганца – на 37 и 44 % соответственно. Ударная вязкость как при –20 °С, так и при –60 °С у легированных сталей выше, чем у стали 20Л. Наибольший прирост ударной вязкости наблюдался при легировании стали марганцем (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Зависимость ударной вязкости стали 20Л от варианта легирования

Таким образом, при однокомпонентном легировании для одновременного повышения прочностных свойств и хладостойкости стали 20Л целесообразно использовать марганец. Это обстоятельство, а также невысокая стоимость обусловили его широкое использование в низколегированных сталях.

Резко отрицательное действие на хладноломкость оказывают фосфор, сера, а также растворенные газы: кислород, азот, водород. С увеличением содержания серы растет количество сульфидных включений, играющих роль концентраторов напряжений. Так, увеличение содержания серы в литой стали 25Л от 0,02 до 0,05 % более чем в два раза снижает ударную вязкость при 233 К. Повышение содержания серы на 0,01 % увеличивает порог хладноломкости примерно на 15 К. Кроме того, снижение содержания серы позволяет повысить ударную вязкость листов в направлении, перпендикулярном прокатке, что приводит к. снижению анизотропия вязкости. При содержании серы менее 0,003 % в структуре с трудом (лишь металлографически) распознаются вытянутые сульфиды марганца.

123

Охрупчивающее влияние фосфора сказывается в обогащении им межзеренных границ благодаря сильной ликвации, а также благодаря образованию концентраторов напряжений – фосфидной эвтектики. При увеличении содержания углерода охрупчивающее влияние фосфора возрастает. Повышение содержания фосфора на 0,01 % для литой стали 35Л увеличивает критическую температуру хрупкости примерно на 20 К. Вредное влияние фосфора может быть существенно подавлено за счет легирования молибденом.

Кроме адсорбции вредных примесей серы и фосфора на границах зерен и, как следствие, зернограничного охрупчивания, возможна их сегрегация на межфазных границах карбид–матрица. В результате развивается мелкое ямочное разрушение с низкой локальной пластичностью и энергоемкостью. Сегрегация серы и фосфора на внутризеренных поверхностях раздела ослабляет когезионную прочность субграниц, что также способствует хрупкому разрушению. Это подтверждается появлением в изломе участков квазискола, обогащенных серой и фосфором, толщиной в несколько атомных слоев.

Азот, подобно углероду, является основной причиной старения низкоуглеродистой стали ферритного и ферритно-перлитного классов. По данным С.Л. Кейза и К.Р. Горна, технологии выплавки

итермической обработки стали, изменяющие ее химический состав

ифизическое состояние, влияют на характер старения металла. Присутствие азота и неравномерность его распределения в стали нежелательны. Азот оказывает упрочняющее и охрупчивающее влияние в малоуглеродистых сталях. Однако упрочнение феррита азотом не достигает больших значений вследствие ограниченной растворимости этого элемента в феррите. Известны исследования, посвящен-

ные созданию стали со сверхравновесным содержанием азота, но для этого требуются специальные оборудование и технология.

Для получения требуемых свойств сталей целесообразнее использовать комплексное легирование. При этом следует учитывать

иэкономическую сторону вопроса. Так, вследствие дефицитности

ивысокой стоимости никеля и молибдена использование данных элементов для легирования сталей с ферритно-перлитной структурой целесообразно в случае изготовления особо ответственныx толстостенных деталей. Объем производства этих сталей в общем объеме производства хладостойких сталей невелик.

124

При выборе легирующих элементов следует также учитывать взаимную растворимость, стремиться использовать комбинации, когда элементы взаимно усиливают свое положительное воздействие. Эффект от совместного их влияния должен превышать сумму эффектов от введения каждого элемента в отдельности. Наиболее применимы для этой цели легирующие элементы, способные образовывать твердые взаимные растворы. В этом случае усиливается устойчивость твердого раствора и повышается его прочность. Основные легирующие элементы (хром, никель, кремний, марганец, молибден, ванадий, медь) обладают достаточно хорошей взаимной растворимостью.

В табл. 3.1 и 3.2 приведены основные деформируемые и литые конструкционные низколегированные стали и основные области их применения, а в табл. 3.3, 3.4 – режимы термической обработки и механические свойства этих материалов.

Таблица 3.1

Конструкционные деформируемые низколегированные стали для сварных конструкций северного исполнения

и основные области их применения

Марка	ГОСТ
стали	по хими-	Заменитель	Назначение и область применения
	ческому
	составу
	Конструкционная углеродистая качественная сталь
Сталь 08	1050-88	10	Шайбы, патрубки, прокладки и другие
			неответственные детали – требования
			высокой пластичности, Т – 40 …450 °С
Сталь 10	1050-88	08, 15, 08кп	Детали – требования высокой пластич-
			ности, Т – 40 …450 °С; после ХТО –
			детали с высокой поверхностной твер-
			достью при невысокой прочности серд-
			цевины
Сталь 15	1050-88	10, 20	Болты, винты, крюки и другие детали –
			требования высокой пластичности,
			Т – 40 …450 °С; после ХТО – рычаги,
			кулачки, гайки и др. – требования высо-
			кой прочности сердцевины

125

			Продолжение табл. 3.1
Марка	ГОСТ
стали	по хими-	Заменитель	Назначение и область применения
	ческому
	составу
Сталь 20	1050–88	15, 25	После нормализации или без термиче-
			ской обработки – крюки кранов,
			муфты, вкладыши подшипников,
			Т –40…450 °С
Конструкционная низколегированная сталь для сварных конструкций
09Г2	19281–89	10Г2С1,	Стойки ферм, верхние обвязки вагонов,
		09Г2С,	хребтовые балки, двутавры и другие де-
		09Г2Д	тали вагоностроения, детали экскава-
			торов, элементы сварных конструкций
			и других деталей, Т –40…450 °С
16ГС	19281–89	17ГС	Фланцы корпуса и другие детали:
			Т –40…450 °С под давлением; эле-
			менты сварных металлоконструкций:
			Т от –70 °С
17ГС	19281–89	16ГС	Корпуса аппаратов, днища, фланцы
			и другие сварные детали, работающие
			под давлением, Т –40…450 °С
17Г1С	19281–89	17ГС	Сварные детали, работающие под дав-
			лением, Т –40…450 °С
09Г2С	19281–89	09Г2,	Различные детали и элементы сварных
		09Г2Д,	металлоконструкций, Т –40…450 °С
		10Г2С1	под давлением
16Г2АФ	19281–89	15Г2АФ,	Металлоконструкции, сварные фермы
		14Г2АФ	для изделий машиностроения
Конструкционная низколегированная сталь для сварных конструкций
14ХГС	19281–89	15ХСНД,	Сварные конструкции, листовые
		14СНД,	клапанные конструктивные детали
		16ГС, 14ГН,
		16ГН
10ХСНД	19281–89	16Г2АФ	Элементы сварных металлоконструкций
			и различные детали: повышенная проч-
			ность, коррозионная стойкость с огра-
			ничением массы, Т –40 …450 °С

126

			Окончание табл. 3.1
Марка	ГОСТ
стали	по хими-	Заменитель	Назначение и область применения
	ческому
	составу
15ХСНД	19281–89	16Г2АФ,	Элементы сварных металлоконструкций
		15ГФ,	и различные детали: повышенная проч-
		14ХГС,	ность, коррозионная стойкость с огра-
		16ГС	ничением массы, Т –40 …450 °С
35ГС	5781–82	Ст5сп, Ст6,	Для изготовления арматуры периодиче-
		Ст5пс	ского профиля класса А-Ш диаметром
			от 6 до 40 мм
25Г2С	5781–82	–	Для изготовления арматуры периодиче-
			ского профиля класса А-Ш диаметром
			от 6 до 40 мм

Таблица 3.2

Назначение марок стали для хладостойких отливок

(ГОСТ 21357–87)

	Марка	Назначение
	стали
	08Г2ДНФЛ	Крупногабаритные корпусные отливки; верхние части рам
		картеров, литые детали экскаваторов большой грузоподъем-
		ности и другие сваривающиеся детали повышенной прочно-
		сти
	12ХГФЛ	Ответственные литые детали тракторов, сварно-литые несу-
		щие конструкции
	20ГЛ, 20ФТЛ	Ответственные литые детали автосцепного устройства и те-
		лежки грузовых вагонов
	14ХГ2ГМРЛ,	Ответственные сварно-литые конструкции больших сечений
	20ХГСФЛ,	карьерных и шагающих экскаваторов
	25Х2НМЛ
	35ХМФЛ,	Ответственные литые детали горно-металлургического обо-
	35 ХМЛ	рудования

127

		Окончание табл. 3.2
	Марка	Назначение
	стали
	27ХН2МФЛ	Цельнолитые зубья и элементы их крепления (скобы, кли-
		нья) одноковшовых экскаваторов
	27ХГСНМДЛ	Наконечники рыхлителей мерзлых грунтов, опорные катки
		тяжелых бульдозеров, ведущие шестерни, звездочки гусе-
		ничных машин и др.
	30ГЛ, 30ХЛ	Корпуса поглощающих аппаратов грузовых вагонов
	30ХГ2СТЛ	Башмаки гусеничных машин, угловые ножи бульдозеров,
		кремальерные шестерни экскаваторов, опорные ролики
		дражных цепей, рабочие органы шахтных машин, рычаги,
		зубчатые колеса
	110Г13Л,	Зубья ковшей экскаваторов, гусеничные звенья, рабочие
	110Г13ХБРЛ	органы дробильного оборудования

Примечание. Перечисленные литейные стали можно использовать до температур –40...–60 °С.

Таблица 3.3

Режимы термической обработки хладостойких литейных конструкционных сталей

	Марка	Рекомендуемый состав термической обработки	№
	стали		режима
	08Г2ДНФЛ	Нормализация при 920–950 °С, отпуск	1
		при 590–630 °С
	12ХГФЛ	Нормализация при 930–950 °С	1
	14Х2ГМРЛ	Закалка с 920–930 °С в воде, отпуск	1
		при 630–650 °С
	20ГЛ	Нормализация при 920–950 °С	1
		Закалка с 920–940 °С, отпуск при 600–620 °С	2
	20ФТЛ	Нормализация при 940–960 °С	1
		Закалка с 930–950 °С в воде, отпуск	2
		при 600–650 °С

128

		Окончание табл. 3.3
	Марка	Рекомендуемый состав термической обработки	№
	стали		режима
	20ХГСФЛ	Нормализация при 900–920 °С,	1
		отпуск при 630–650 °С
		Закалка с 900–920 °С в воде,	2
		отпуск при 650–670 °С
	25Х2ННМЛ	Закалка с 860–880 °С в воде,	1
		отпуск при 580–600 °С
	27ХН2МФЛ	Закалка с 880–920 °С в воде,	1
		отпуск при 570–590 °С
	27ХГСНМДТЛ	Нормализация при 910–930 °С,	1
		отпуск при 590–610 °С
		Закалка с 910–930 °С в воде,	2
		отпуск при 640–660 °С
		Закалка с 910–930 °С в воде,	3
		отпуск при 200–220 °С
	30ГЛ	Закалка с 920–950 °С в воде,	1
		отпуск при 600–650 °С
	30ХГ2СТЛ	Нормализация при 890–910 °С,	1
		отпуск при 640–660 °С
		Закалка с 870–890 °С в воде,	2
		отпуск при 640–660 °С
		Закалка с 870–890 °С в воде,	3
		отпуск при 200–220 °С
	30ХЛ	Закалка с 920–950 °С, отпуск при 600–650 °С	1
	35ХМФЛ	Нормализация при 900–920 °С,	1
		отпуск при 640–670 °С
		Закалка с 890–910 °С, отпуск при 650–670 °С	2
	35ХМЛ	Закалка с 890–910 °С, отпуск при 620–640 °С	1
	110Г13Л	Закалка с 1050–1100 °С в воде	1
	110Г13ХБРЛ	Закалка с 1050–1100 °С в воде	1

129

Таблица 3.4

Механические свойства хладостойких литейных конструкционных сталей

Марка	№	ζ ,	ζ ,	δ,	ψ,	KСV–20,	KСV–60,
		т	в			Дж/см2	Дж/см2	НВ
стали	режим	МПа	МПа	%	%
08Г2ДНФЛ	1	400	500	20	45	2,5	4,0	–
12ХГФЛ	1	340	470	20	35	2,0	3,0	–
14Х2ГМРЛ	1	600	700	14	25	3,0	5,0	–
20ГЛ	1	300	500	20	35	2,0	3,0	–
	2	400	550	15	30	2,0	3,0
20ФТЛ	1	320	520	20	35	2,0	3,0	–
	2	450	570	15	30	2,0	3,0
20ХГСФЛ	1	320	500	18	30	2,0	3,0	–
	2	450	600	14	25	2,0	3,0
25Х2ННМЛ	1	700	800	12	25	2,5	3,0	–
27ХН2МФЛ	1	800	1000	10	22	2,0	3,0	265
27ХГСНМДТЛ	1	650	800	12	20	3,0	5,0	–
	2	700	850	12	25	3,5	5,0	–
	3	1150	1400	8	12	2,5	4,0	390
30ГЛ	1	490	660	10	20	2,0	3,0	–
30ХГ2СТЛ	1	600	700	12	40	2,0	3,5	–
	2	650	750	15	40	2,5	3,5
	3	1300	1600	4	15	2,0	3,0	400
30ХЛ	1	550	660	10	20	2,0	3,0	–
35ХМФЛ	1	420	630	12	20	1,8	2,5	–
	2	550	700	12	25	2,0	3,0	–
	3
35ХМЛ	1	600	700	10	18	2,0	3,0	–
110Г13Л	1	400	800	25	35	7,0	–	190
	2
110Г13ХБРЛ	1	480	750	20	30	5,0	–	190

130