книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

дики определения критической температуры хрупкости

может наблюдаться различный порядок в распределении

указанных пяти образцов. Так, по возрастанию Твк об­ разцы должны быть расположены в ряд V—III—II—I—IV,

а по критическим температурам Тк и порядок располо­ жения зависит от марки стали и может быть как V—I— II—III—IV, так и V—III—II—I—IV.

Большое число исследований, направленных на уста­ новление корреляции между значениями критических температур хрупкости, получаемых при испытании раз­ личных образцов, убедительно показало, что такие одно­ значные корреляции отсутствуют.

КРИТЕРИИ ВЫБОРА СТАЛЕЙ ДЛЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИСПЫТАНИЯ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ

В настоящее время, как уже отмечалось, еще нет ме­ тодики инженерного расчета конструкций на прочность, которая количественно учитывала бы склонность сталей к хрупкому разрушению при низких температурах. По­ этому конструктор, выбирая сталь для определенного из­ делия, может только качественно учесть ее склонность к хладноломкости, оцениваемую по одному из методов, чаще всего по уровню ударной вязкости при заданной температуре.

Оценка хладостойкости стали по результатам испыта­ ния на ударную вязкость страдает многими недостатками. Важнейшие из них — отсутствие четкого физического смысла этой характеристики и невозможность использова­ ния ее в прочностных расчетах. Поэтому в научно-исследо­ вательских работах, связанных с проблемой прочности и пластичности при низких температурах, применяют де­ сятки иных способов оценки хладостойкости сталей, от­ дельных деталей, сварных узлов и конструкций в целом. Использование этих разнообразных, в большинстве своем довольно сложных методов, целесообразно также при про­ ведении новых конструкторских разработок по новой северной технике и при контроле материала для отдель­ ных особо ответственных конструкций. Для контроля на

хладостойкость конструкционных сталей как продукции массового металлургического производства в настоящее время, кроме испытания на ударную вязкость при задан­ ной низкой температуре, еще нет приемлемого метода.

Наиболее надежной основой при выборе стали для кон­ струкций северного исполнения могли бы быть резуль­ таты сравнительного изучения хладостойкости стали при лабораторных испытаниях с фактической ее хладостойкостыо в деталях данной конструкции. Однако таких данных для машиностроительных конструкций, за исключением нескольких случаев, приведенных в главе 2, нет.

Опыт эксплуатации различных конструкций, более или менее полно представленный в большом числе публика­ ций, показывает, что для изделий, не имеющих значитель­ ных конструктивных или технологических дефектов, хруп­ кое разрушение происходит при таких температурах, при которых ударная вязкость имеет весьма малые значения. На этом основании сложилось представление о том, что некоторую гарантию против хрупкого разрушения может дать применение стали, ударная вязкость которой при ра­ бочей температуре не падает ниже некоторого определен­ ного значения, выбираемого обычно в пределах от 2 до 4 кГм/см2 при испытании образцов типа Менаже или типа Шарли с острым надрезом. Чем ответственнее конструк­ ция, тем жестче назначаемый способ испытания (острый надрез) и тем выше минимально допустимое значение ударной вязкости.

Изучение 24 появившихся за последние 10 лет источ­ ников, в которых приведены нормы ударной вязкости для различных конструкций, работающих при пониженных температурах, или рекомендации для разработки таких норм показало, что в большинстве случаев (13 из 24) рекомендуется применять стали, ударная вязкость кото­ рых при рабочей температуре составляет не менее 3 или 3,5 кГм1смг. В четырех случаях считается возможным использовать стали с ударной вязкостью при рабочей температуре ниже 3, но не менее 2 кГм1см2, да и то на образцах с острым надрезом. В шести случаях рекомен­ дуется ударная вязкость в пределах от 4 до 5 кГм1см2. Значения ударной вязкости более 5 кГм/см2 рекомен­ дуются иногда в качестве минимально допустимых только для сталей повышенной прочности,

132

Рассмотрение более 60 различных рекомендаций по применению сталей для конструкций, работающих при низких температурах, позволяет заметить тенденцию огра­ ничивать использование сталей различных групп следую­ щими температурами:

углеродистые кипящие стали в конструкциях, рабо­ тающих при ударных нагрузках, — не ниже +20° С, а в конструкциях, работающих при спокойных нагруз­ ках, во вспомогательных и слабо нагруженных конструк­ циях, — не ниже температур от —30 до —40° С;

углеродистые полуспокойные и спокойные стали — от —30 до —50° С;

низколегированные стали, в том числе стали с 2,5% Ni, от —50 до —70° С в зависимости от ответственности кон­ струкции и возможности термической обработки детали;

стали с 3,5% Ni — от —70 до —120° С; стали с 8,5—9,0% Ni — до —200° С;

аустенитные стали типа 18-8 — для температур до —200° С, а при пониженном содержании углерода — до —253° С;

аустенитные стали типа 25-20 — для температур до —253° С.

Для производимых в СССР строительных сталей пред­ ложена классификация по хладостойкости, предусматри­ вающая разделение их на семь классов [162]. Первые два класса по этой классификации охватывают кипящие и по­ луспокойные углеродистые стали, применение которых для ответственных конструкций, работающих при низких тем­ пературах, не рекомендуется. К третьему классу отно­ сится спокойная углеродистая сталь мартеновского и кис­ лородно-конверторного производства. Для особо тяжелых условий работы эту сталь не рекомендуется использовать при температурах ниже —30° С, а в статически нагружен­ ных конструкциях — при температурах ниже —50° С. Та же сталь в прокате толщиной не более 20 мм без тер­ мической обработки и толщиной до 40 мм в термически обработанном состоянии входит в четвертый класс, кото­ рый предусматривает применение до температур от —40 до —60° С в зависимости от ответственности конструкции. В этот же класс входят стали 15ГС и 14Г2 в горячекатаном состоянии при толщине проката до 32 мм. Пятый класс объединяет стали 15ХСНД, 09Г2 толщиной до 32 мм и сталь ЮГ2С толщиной до 60 мм в горячекатаном состоя­

133

нии, которые рекомендуется использовать до температур от —50 до —70° С, а для слабонагруженных и вспомога­ тельных конструкций — без ограничения температуры. Классы шестой и седьмой объединяют термически обрабо­ танные стали 14Г2, 15ХСНД, 15ГС, 10Г2С и 10ХСНД в прокате толщиной до 40 мм, применять которые можно до температур от —60 до —70° С (14Г2, 15ГС и 15ХСНД) и от —70 до —80° С.

Содержащиеся в этой классификации рекомендации мо­ гут быть использованы и при проектировании крупных сварных конструкций горных, строительных и подъемно­ транспортных машин, работающих в условиях, близких к условиям службы строительных конструкций тяжелого режима работы.

Техническими условиями на изготовление строитель­ ных и дорожных машин северного исполнения, разрабо­ танными Всесоюзным научно-исследовательским институ­ том строительного и дорожного машиностроения, не до­ пускается применение кипящих и полуспокойных сталей в любых деталях и узлах машин, предназначенных для работы при температурах до —60° С. По этим техническим условиям минимально допустимым значением ударной вязкости при —60° С, которая считается минимальной расчетной температурой, для сталей, идущих на изготов­ ление ответственных деталей, является 4 кГм/см2. Тем­ пература, при которой ударная вязкость снижается до этого значения, принята в качестве условной критической температуры хрупкости сталей в прокате и поковках. Для литья критической температурой хрупкости считается та­ кая, при которой ударная вязкость снижается до 2 кГм1см2.

Методика выбора сталей для сварных конструкций, работающих при низких температурах, предложена также Институтом электросварки АН УССР [119]. Она пред­ усматривает деление наиболее широко применяемых для сварных конструкций сталей на шесть групп по их склон­ ности к хладноломкости. Основным признаком классифи­ кации стали по склонности к хладноломкости служила критическая температура хрупкости, определяемая как температура, при которой ударная вязкость снижается до 3 кГм1см2. В группу 1 по этой классификации вошли стали в прокате толщиной до 25 мм, для которых крити­ ческая температура не превышает 0° С. К таким сталям относятся ВКСт.Зкп, ВСт.Зкп в горячекатаном состоя-

134

пни. Группа 2 объединяет горячекатаные стали ВКСт.Зпс и ВСт.Зпс толщиной до 25 мм, имеющие критическую температуру не выше —20° С. Группа ЗА — стали в тол­ щинах до 25 мм, имеющие критическую температуру не выше —40° С. К этой группе отнесены стали 19Г в горяче­ катаном и термически обработанном состояниях и горяче­ катаные стали ВКСт.Зсп, ВСт.Зсп и 15ГС. В группу ЗБ вошли горячекатаные стали в толщинах до 40 мм ма­ рок 14Г2, М16С, 10Г2СК 10Г2С и 15ХСНД, для К0Т9РЫХ критическая температура не превышает —40° С. Группа 4А объединяет стали с гарантированной критической тем­ пературой при толщине проката до 25 мм незыше —60° С. В эту группу входят стали 14ХГС в термически обрабо­ танном состоянии и горячекатаные стали 14Г2, 0ЭГ2, 09Г2С и 10ХСНД. Группу 4Б составляют низколегиро­ ванные стали, обеспечивающие в термически обработан­ ном состоянии критическую температуру хрупкости не выше —60° С при толщине проката до 60 мм. К таким сталям отнесены термически обработанные стали 16ГС, 15ГС, 14Г2, 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С, 15ХСНД и 10ХСНД.

Методика выбора сталей, включенных в данную клас­ сификацию, учитывает температуру эксплуатации, воз­ можность появления в конструкции остаточных напряже­ ний от сварки, толщину элементов конструкции, скорость нагружения, интенсивность использования сечения проек­ тируемого элемента конструкции и степень ответственности конструкции. Температура эксплуатации и толщина эле­ мента учитываются по своим абсолютным величинам, ос­ тальные факторы — при помощи условных баллов или коэффициентов. Скорость нагружения учитывают при помощи коэффициента V, равного 2 при наличии толчко­ вых или ударных нагрузок и 1 — при статической нагрузке.

Коэффициент F учитывает использование сечения рас­ считываемого элемента. Если отношение максимального напряжения в конструкции к допускаемому меньше 0,5, то этот коэффициент принимается равным 0,5. Если это отношение составляет от 0,5 до 0,7 или превышает 0,7, то соответственно F равно 0,7 или i ,0. Влияние остаточ­ ных напряжений учитывается коэффициентом К, значения которого меняются от 2 ,0 до 1,0 и выбираются тем более высокими, чем выше остаточные напряжения. .

135

Коэффициент S учитывает степень ответственности конструкции. Для особо ответственных элементов, от це­ лостности которых зависит существование всей конструк­ ции, этот коэффициент принимается равным 1,0. Для ме­ нее ответственных элементов, выход из строя которых не влечет за собой полного разрушения всей конструкции, он принимается равным 0,7. Для прочих малоответствен­ ных элементов S = 0,5. Выбранные для проектируемой конструкции коэффициенты перемножают и полученное

лонке, соответствующей назначенной для конструкции температуры эксплуатации от +20 до —60° С, определяя горизонтальную строку таблицы. Затем по толщине рас­ считываемого элемента находят вертикальную колонку в правой стороне таблицы. Это определение делают по шкале, нанесенной в верхней части правой половины таб­ лицы, если элемент при изготовлении или монтаже не под­ вергается наклепу, и по одной из шкал в нижней части, таблицы, если возможен наклеп на 2,5 или 5%. Пересече­ ние найденных горизонтальной строки и вертикальной ко­ лонки оказывается в одной из зон таблицы, каждая из которых соответствует определенной группе сталей, ис­ пользуемой в настоящей методике классификации.

При разработке описанной методики выбора стали для сварных конструкций было сделано предположение, что опасность разрушения возрастает с понижением темпера­ туры по закону

Т = Т — cos 0,9 (100 + Траб) ~ ° ’5,

где Т — коэффициент температуры, характеризующий ве­ роятность разрушения; Траб — рабочая температура кон­ струкции.

Согласно этому уравнению частота разрушения при по­ нижении температуры от 0 до —40° С должна увеличи­ ваться в 4 раза. В действительности частота разрушения деталей машин увеличивается при таком понижении тем­ пературы иногда значительно больше. Поэтому при проек­ тировании машинных конструкций, используя данную таблицу, следует принимать некоторый дополнительный запас по произведению коэффициентов.

1 3 6

Таблица 14

Таблица выбора сталей для сварных конструкций, работающих при низких температурах

При наличии наклепа; толщина и мм

Статистически достоверные данные о хладостойкости даже наиболее распространенных конструкционных ста­ лей в настоящее время отсутствуют. Приводимые в спра­ вочниках, например в [38], и отдельных оригинальных публикациях сведения о хладостойкости тех или иных марок сталей до известной степени носят случайный ха­ рактер, так как относятся обычно к отдельным плавкам или сравнительно небольшим их группам, в то время как известно, что внутримарочные вариации химического со­ става, условия выплавки и прокатки стали существенно влияют на ее хладостойкость. Поэтому использовать эти данные нужно с некоторой осторожностью. Для особенно ответственных конструкций следует рекомендовать кон­ троль металла на ударную вязкость у потребителя, если речь идет о марках, для которых стандартом не пред­ усмотрены гарантии по ударной вязкости при заданной низкой температуре.

В табл. 15 и 16 приведены ориентировочные значения критических температур перехода в хрупкое состояние для 40 марок сталей (по критерию ан = 4 кГм1см2), получен­ ные в результате испытания около 180 проб металла раз­ личного происхождения. В тех случаях, когда исследова­ лось по нескольку проб одной марки, в табл. 16 указаны средние арифметические значения критической темпера­ туры с округлением до 5° С.

138

139