Применение сталей при отрицательных температурах

Обновлено: 15.05.2024

Хладостойкие низко- и среднелегированные стали предназначены для эксплуатации при температуре до - 196°С. Принцип легирования:

1) низкое содержание углерода 0,06%;
2) легирование никелем (3/5 – 8,5%) для измельчения структуры;
3) ограничение содержания серы и фосфора 0,02%;
4) микролегирование Nb, Al, N₂ для измельчения зерна.

Долгое время для таких температурных условий применяли только никелесодержащие стали (3,6 и 9% Ni) с низким содержанием углерода или аустенитные хромоникелевые стали. В последнее время появились рекомендации по применению в условиях умеренно низких температур низкоуглеродистых низколегированных сталей с низким содержанием никеля (до 1,5%) и даже безникелевых сталей.

Состав хладостойких сталей.

Никелевые стали, особенно марок 06Н6 и 06Н9, сложны по фазовому и структурному составу. Поэтому сталь с 9% Ni после охлаждения от температуры γ-состояния на воздухе закаливается с образованием мартенсита или мартенсита с аустенитом. При нагреве закаленной стали до температуры, близкой к 600°С , частично может произойти обратное α → γ -превращение, и в стали может появиться некоторое количество остаточного аустенита (5 - 15% в зависимости от состава стали и температуры отпуска).

В стали с 6% Ni при охлаждении образуется ферритно-мартенситная структура, а при более быстром охлаждении - мартенсит. После отпуска закаленная сталь имеет высокую хладостойкость.

Сталь с 3% Ni закаливается только при ускоренном охлаждении в воде. Применяется эта сталь также в закаленном и отпущенном состояниях. Хладостойкость никелевых сталей определяется не только содержанием никеля, но важны также однородность состава и мелкозернистость структур. Поэтому никелевые стали перед окончательной термообработкой (закалка + отпуск) лучше подвергать нормализации. Для сталей с 6 и 9% Ni нормализацию с термоулучшением можно заменить двойной воздушной закалкой: первая с более высокой температуры (~ 900°С) для гомогенизации, вторая с более низкой (~780-800°С) - для получения мелкого зерна. Отпуск после такой обработки дает некоторое улучшение свойств, однако он не всегда необходим, так как низкое содержание углерода в стали и пониженная температура закалки позволяют получить нехрупкий мартенсит и некоторое количество остаточного аустенита, обеспечивающих хорошую ударную вязкость.

Свариваемость

Основными показателями свариваемости стали являются склонность к образованию холодных трещин, изменения свойств ЗТВ и необходимость принятия специальных технологических мер для получения бездефектного сварного соединения с надлежащими свойствами. С точки зрения этих критериев все три никелевые стали можно отнести к хорошо свариваемым. Низкое содержание в сталях углерода обусловливает отсутствие склонности к холодным трещинам, даже если в ЗТВ после сварки образуется мартенсит. Мартенсит с низким содержанием углерода при высоком содержании никеля способствует получению в ЗТВ высокой ударной вязкости и умеренной твердости металла. При наличии вязкого аустенитного металла шва это обстоятельство обусловливает отсутствие необходимости проведения термообработки после сварки. При сварке эти стали проявляют склонность к росту зерна в ЗТВ. В связи с этим сваривать их целесообразно без большого тепловложения.

Способы сварки и сварочные материалы

Никелевые стали успешно свариваются различными видами сварки (см. таблицу ниже). Однако следует предпочитать дуговую сварку в защитном газе и ручную дуговую сварку. При автоматической сварке под флюсом лучше использовать тонкую проволоку.

Способы сварки никелевых хладостойких сталей и свойства ЗТВ сварных соединений

Примечание: РДС - ручная дуговая сварка; ИИ, ИП - дуговая сварка неплавящимся и плавящимся электродом в инертных газах; АФ - автоматическая сварка под флюсом.

Для сварки стали 06НЗ применяют электроды или проволоки аналогичные основному металлу, либо аустенитную хромоникелевую. Для сварки стали 06Н6 в качестве присадочного материала чаще всего используют проволоку из аустенитной хромоникелевой стали или сплав на никелевой основе (типа инконель).

В связи со склонностью к росту зерна никелевые стали при сварке не следует подогревать. Только при низкой температуре окружающего воздуха целесообразен небольшой подогрев.

Термообработка после сварки

Высокий отпуск сварных соединений стали 06НЗ выполняют при таком же составе сварных швов, что и свариваемая сталь. При высоконикелевых и хромоникелевых аустенитных швах термообработка после сварки не требуется.

Стали 06Г2НАБ и 06Г2АЮ благодаря очень низкому содержанию углерода после нормализации (состояние применения) почти не имеют перлита, поэтому их иногда называют бесперлитными. Высокие свойства, получаемые после нормализации, особенно высокая хладостойкость, определяются очень мелким зерном, устойчивым к росту благодаря наличию нитридов алюминия и карбонитридов ниобия.

Несмотря на повышенную устойчивость мелкого зерна к росту при нагреве, высокая температура нагрева околошовной зоны приводит к некоторому укрупнению зерна и ухудшению хладостойкости, что на сталях рассматриваемого типа ощутимо уже при ручной дуговой сварке. Лучше всего эти стали сваривать в защитном газе с применением тонкой проволоки с наименьшим тепловым влиянием на прилегающий к сварному шву металл. Значения твердости и ударной вязкости в ЗТВ в этом случае сохраняются близкими к значениям свариваемой стали (см. таблицу ниже).

Низколегированные стали для применения при очень низких температурах

Конструкционные стали и сплавы для низких температур

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/м 2 . 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 (0_В 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/м 2 . 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/м 2 . 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.

Можно ли применять сталь Ст3пс, Ст3сп при отрицательной температуре?

Здравствуйте, можно ли применять применять в качестве стоек профильные трубы марок стали Ст3пс, Ст3сп при отрицательной температуре? В каких случаях допускается?

handbell, что значит "бывает"?
Какая конкретно у вас температура? По СНиП берётся холодная пятидневка 0,92, по СП16 наиболее холодных суток 0,98. Ссылку куда смотреть я скинул.

Нет, не издеваюсь, по маркам стали есть информация: Ст3пс - Применение: Несущие элементы сварных и несварных конструкций и деталей, работающих при положительных температурах; С275 - Применение: изготовления проката, предназначенного для строительных стальных конструкций со сварными и другими соединениями. Это разные стали или всё-таки нет?

Вы издеваетесь тоже?))) Табл. В.1 Приложение В СП 16.13330.2011 на сегодня обязательна. Там не пятидневка за расчетную температуру. В "старом" СНиП II-23-81* пятидневкой тоже не пользовались, указан район по ГОСТ 16350-80 вот по нему и надо было.

ну вот и найдите по СП16 сталь Ст3пс и Ст3сп

речь о СНиПе была

"Ст3пс - Применение: Несущие элементы сварных и несварных конструкций и деталей, работающих при положительных температурах; С275 (Заменитель:Ст3пс) - Применение: изготовления проката, предназначенного для строительных стальных конструкций со сварными и другими соединениями." И всё-таки это разные стали или нет?

Ну вот есть, с категорией проката только в отличии от СНиП II-23-81*, где марки только для электросварных труб, а у топика вопрос по профилям квадратным или прямоугольным, поэтому не мутите воду))

Ну в заголовках таблицы 50, так-то, тоже расчетные температуры есть и это не новость, но вот про какую обеспеченность этой пятидневки речь? Есть ГОСТ 16350-80, где просто и удобно определялся климатический район для выбора марки стали, не знаю никого, кто смотрел бы именно по пятидневке со спорами об обеспеченности этого значения.

Сейчас части СП 16.13330.2011 - обязательны к применению, а марки малоуглеродистых сталей без категории проката я уже давнооо не видел, но это другая история.

__________________
Советов у меня лучше не просить. Потому что чувство юмора у меня развито сильнее чувства жалости.

Конструктор по сути (машиностроитель)

последнее это не марка стали, а просто классификация по строительной применяемости. Вернее марка, но не полноценная, которые и льют в металлургических заводах. Тут уже были разговоры про разницу эту. Говорилось, что там у вас в ГОСТах есть таблицы, какие реальные марки могут применяться для получения тех или иных "строительных марок".

Это хорошие углеродистые стали, пс и сп означают "полуспокойного" и "спокойного" раскисления. Спокойное раскисление дает плотную структуру стали. Все в итоге сводится к хладоломкости стали, т.е. к такому показателю, как вязкость при отрицательных температурах.
При Ваших температурах сталь "сп" подойдет для любых ответственных строительных конструкций.
Это - по физической сути.
По юридической сути - обосновывать применимость этих сталей нужно по требованиям действующих норм, начиная со степени ответственности объекта, групп конструкций, климатических факторов, тепловых режимов сооружения, типа проката, толщины проката, категории стали и еще кучи факторов. На сегодня в связи с бардаком в НТД в сфере строительства даже опытный спец сходу не даст точного ответа.
Для точного ответа нужно много конкретики, начиная с функционального назначения объекта. У Вас в исходных две разные категории стали, что уже удваивает сложность задачи.
Для теплиц - однозначно годятся.

По расчету, на одну стойку из профильной трубы, приходится нагрузка порядка 1,69т (16,67кН). Группа 3, t ≥ -45. Планируется использовать профильную трубу 100х100х4мм или 100х100х3мм. Можно ли использовать такие трубы в качестве стоек?

handbell, укажите нормативный документ, которому соответствует марка стали.
Уточните категорию стали.
Для общего понимания см. таблицу из СП16 (2011).

Читайте также: