5. Конструкционные стали специального назначения

5.1. Криогенные стали (стали для криогенной техники)

К криогенным сталям относятся стали, используемые в машинах и оборудовании для получения, хранения и транспортировки сжиженных газов с температурой кипения от –80 до –269 С. Температуры кипения сжиженных газов: кислорода –183С, азота –196С, водорода –253С, гелия –269С, сжиженных углеводородов (метана, бутана и др.) в интервале –80 ... –180С.

Основные требования к криогенным сталям:

1. Гарантированный запас пластичности и вязкости разрушения при температурах эксплуатации.

2. Отсутствие склонности к хрупкому разрушению при низких температурах; порог хладноломкости должен быть ниже рабочих температур.

3. Малая чувствительность к концентраторам напряжений.

4. Хорошая коррозионная стойкость.

5. Хорошая свариваемость.

Аустенитные криогенные стали

Аустенитные хромоникелевые стали не имеют порога хладноломкости (решетка г.ц.к.). Благодаря сохранению высокой пластичности и вязкости в широком температурном интервале, коррозионной стойкости в сочетании с хорошими технологическими свойствами они в настоящее время являются наиболее распространенным конструкционным материалом для криогенной техники. Наибольшее применение нашли хромоникелевые стали с содержанием 18-20 % Crи 8-12 %Ni(типа 12Х18Н10Т). Эти стали сохраняют аустенитную структуру вплоть до криогенных температур. Однако аустенит таких сталей метастабилен, т.е. способен при отрицательных температурах под влиянием пластической деформации превращаться в мартенсит деформации:(мартенсит деформации). При этом наблюдается повышение прочности и снижение пластичности, увеличение размеров деталей. Хромоникелевые аустенитные стали имеют невысокую прочность при комнатной температуре, особенно по пределу текучести (_0,2= 250-300 МПа). Для работы при криогенных температурах их упрочняют холодной пластической деформацией, однако при этом уменьшается пластичность, особенно у сталей с нестабильным аустенитом, содержащих 8-10 %Ni. В тех случаях, когда требуется сохранить пластичность до температур абсолютного нуля без образования мартенситных фаз увеличивают содержание никеля до 14-25 % при содержании хрома 18-25 % (например, стали 08Х18Н20; 10Х20Н25Т). Увеличение содержания никеля и хрома в аустените снижает точки М_ни М_д, тем самым повышая его стабильность и полностью подавляя мартенситные превращения в процессе холодной пластической деформации и при эксплуатации изделий. Хромоникелевые стали, несмотря на монотонное снижении ударной вязкости с понижением температуры испытания (при отрицательных температурах), сохраняют вязкий излом и значенияKCUне менее 1,0 МДж/м³вплоть до температуры кипения жидкого гелия (–269С). Вследствие высокого сопротивления хрупкому разрушению аустенитные хромоникелевые стали применяют до температуры –269С.

Высокая стоимость и дефицитность никеля привела к созданию сталей, в которых он полностью или частично заменен марганцем. Марганец, как и никель, увеличивает стабильность аустенита относительно мартенситного превращения при охлаждении и холодной пластической деформации, снижая температуры точек М_ни М_д. Для повышения прочностных свойств, а также во избежание хрупкого разрушения, свойственного многим марганцевым сталям при отрицательных температурах, аустенитные стали на хромомарганцевой основе дополнительно легируют никелем или азотом или тем и другим. Примерами таких сталей являются: 10Х14Г14Н4Т, 10Х18Г10Н9Т, 10Х13АГ19 (с азотом), 07Х21Г7АН5.

Хромомарганцевые стали, содержащие азот, можно рассматривать как криогенные стали повышенной прочности. Введение азота в Cr-Ni-Mnстали позволяет более, чем в 1,5 раза повысить уровень предела текучести при комнатной температуре. С понижением температуры эффективность влияния азота как элемента внедрения, блокирующего движение дислокаций, возрастает. Элементы замещенияCr,NiиMnоказывают меньшее влияние на прочностные свойства, их роль определяется обеспечением заданной аустенитной структуры. Аустенитные хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали рекомендуется применять в криогенном машиностроении при температурах эксплуатации не ниже –196С.